生物分离工程萃取

关于生物分离工程萃取第一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二双水相萃取(Aqueoustwo-phaseextraction)是利用物质在互不相溶的两个水相之间分配系数的差异实现分离的方法。1955年由Albertson首先提出了双水相萃取的概念,此后这项技术在动力学研究、双水相亲和分离、多级逆流层析、反应分离耦合等方面都取得了一定的进展。到目前为止,双水相技术几乎在所有的生物物质如氨基酸、多肽、核酸、细胞器、细胞膜、各类细胞、病毒等的分离纯化中得到应用,特别是成功地应用在蛋白质的大规模分离中。第三节双水相萃取技术第二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

双水相萃取的理论基础：溶液的分相不一定完全依赖于有机溶剂，在一定条件下，水相也可以形成两相(即双水相系统)甚至多相。于是有可能将水溶性的酶、蛋白质等生物活性物质从一个水相转移到另一水相中，从而完成分离任务。有机溶剂萃取的不足：许多蛋白质都有极强的亲水性，不溶于有机溶剂；蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。第三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二聚合物的不相溶性：主要是由于聚合物分子的空间阻碍作用，相互间无法渗透，当聚合物的浓度达到一定值时，就不能形成单一的水相，所以具有强烈的相分离倾向。某些聚合物的溶液与某些无机盐的溶液相混合时，只要浓度达到一定值，也会形成两相，即聚合物—盐双水相体系第五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二①

系统含水量多达75%～90%,两相界面张力极低,有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递②

分相时间短(特别是聚合物/盐系统),自然分相时间一般只有5～15min。③双水相萃取技术易于连续化操作。④目标产物的分配系数一般大于3,大多数情况下,目标产物有较高的收率。⑤大量杂质能够与所有固体物质一起去掉,与其它常用固液分离方法相比,双水相萃取技术可省去1～2个分离步骤,使整个分离过程更经济。⑥设备投资费用少,操作简单,不存在有机溶剂残留问题。双水相萃取技术的优点第六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二一、双水相分离理论1、双水相的形成

熵增——混合——自发分子间作用力------随着Mr的增加,而增大.聚合物的不相容性------含有聚合物分子的溶液发生分相的现象.常用聚合物：聚乙二醇－葡聚糖聚乙二醇－无机盐系统无毒原则第七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2、相图

临界点(criticalpoint)：当系线长度趋于零时,两相差别消失,任何溶质在两相中的分配系数均为1。如C点。均相区两相区双节线系线第九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二聚合物的分子量越高，相分离所需的浓度越低两种聚合物的分子量相差越大，双节线的形状越不对称。第十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二3、物质在两相中的分配

和溶剂萃取法一样，物质在两水相中的分配用分配系数K表示。

CTK=——CBCt、CB——分别代表上相、下相中溶质的浓度

K—与温度、压力以及溶质和溶剂的性质有关，与溶质的浓度无关。1）表面自由能的影响(大分子物质表面性质对K影响很大)2）表面电荷的影响(盐效应：两相系统中如存在盐,对K影响较大)3）综合考虑（影响因素很多，单因素定量很困难，最佳操作条件靠实验）4）影响分配平衡的参数

(1)聚合物的影响；(2)体系中无机盐离子的影响；

(3)体系PH的影响；(4)体系温度的影响；

(5)体系中微生物的影响。第十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二1）表面自由能的影响第十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2）表面电荷的影响道南电位(,Donnanpotential):实际双水相系统中有电解质,当这些离子在两相中K1,则两相间产生电位差U2，U1——相1和相2的电位

Z+,Z－——分别表示一种盐的正负离子的离子价

F——法拉第常数

T——温度第十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二进一步可证明：InKi*=InKi+

ZiF(U2-U1)RTKi*——i组分带电时在体系中的分配系数

Ki——i组分不带电时在体系中的分配系数

Zi——i组分的离子价第十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二意义：A

荷电溶质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比.B由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的不同,故k与Zi的关系因盐而异。第十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二3）综合考虑第十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二4）影响分配平衡的参数(1)聚合物的影响A聚和物的分子量的影响

当聚合物的分子量降低时，蛋白质易分配于富含该聚合物的相。例如在PEG—DeX系统中，PEG的分子量减小，会使分配系数增大，而葡聚糖的分子量减小，会使分配系数降低。这是一条普遍的规律，不论何种成相聚合物系统都适用。第十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二B成相聚和物浓度的影响

当接近临界点时，蛋白质均匀地分配于两相，分配系数接近于1。如成相聚合物的总浓度或聚合物／盐混合物的总浓度增加时，系统远离临界点，系线的长度也增加，此时两相性质的差别也增大，蛋白质趋向于向一侧分配，即分配系数或增大超过1，或减小低于1。第十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二(2)体系中无机盐离子的影响盐离子在两相中有不同的分配，因而在两相间形成电位差，由于各相要保持电中性，因此对于带电荷的蛋白质等物质的萃取来说,盐的存在就会使系统的电荷状态改变,从而对分配产生显著影响。盐的种类对双水相萃取也有一定的影响,因此变换盐的种类和添加其他种类的盐有助于提高选择性。在不同的双水相体系中盐的作用也不相同。在PEG/磷酸盐/水中加入氯化钠可以使万古霉素的分配系数由4提高到120,而在PEG/DeX/水体系中只从1.55提高到5。第二十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二(3)体系PH的影响pH会影响蛋白质中可以离解基团的离解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数。pH也影响磷酸盐的离解程度，若改变H2PO4-和HPO42-之间的比例，也会使相间电位发生变化而影响分配系数。pH的微小变化有时会使蛋白质的分配系数改变2—3个数量级。第二十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二交错分配法(crosspartitioning):

当加入不同种类的盐时，由于相间电位不同，lnk–pH关系曲线也不一样。但在pI处，k应相同，即两条关系曲线交于一点。所以,通过测定不同盐类存在下lnk–pH曲线的交点,可测定蛋白质/细胞器以及微粒的pI。血清蛋白第二十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二(4)体系温度的影响

温度影响小,一般温度改变不影响产物的萃取。大规模操作一般在室温下进行,不需冷却。这是基于：

(1)成相聚合物PEG对蛋白质有稳定作用,常温下蛋白质不会发生变性; (2)常温下溶液粘度较低,容易相分离; (3)常温操作节省冷却费用.

第二十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二二、双水相萃取技术的应用

1.双水相萃取法常用于胞内酶提取和精制。目前已知的胞内酶约2500种，但投入生产的很少。原因之一是提取困难。胞内酶提取的第一步系将细胞破碎得到匀浆液，但匀浆液黏度很大，有微小的细胞碎片存在，欲将细胞碎片除去，过去是依靠离心分离的方法，但非常困难。双水相系统可用于细胞碎片以及酶的进一步精制。第二十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第二十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第二十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第二十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二要成功地运用两水相萃取的方法，应满足下列条件：欲提取的酶和细胞应分配在不同的相中；酶的分配系数应足够大，使在一定的相体积比时，经过一次萃取，就能得到高的收率；两相用离心机很容易分离。第二十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二工程方面的问题

在进行工业应用时，需考虑达到萃取平衡所需的时间和两相分离的设备。

在两水相系统中，虽黏度高，但表面张力很低。因而进行搅拌时很易分散成微滴，故几秒钟即能达到平衡，且能耗也很少。两相分离则比较困难，这是由于两相密度差低和当处理匀浆液时，粘度较大。由于粘度较高会引起阻塞，可采用自动排渣的喷嘴分离机。PEG/盐更适合用重力沉降；PEG/DeX多用离心机。第二十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第三十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二在两水相系统中进行生物转化，如酶促反应，可以把产物移入另一相中，消除产物抑制，因而提高了产率。这实际上是一种反应和分离相耦合的过程，有时也称为萃取生物转化；如果发生的是一种发酵过程，则也称为萃取发酵，因而此时也可以把两水相系统称为两水相反应器。2.两水相反应器第三十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二enzymeenzymeenzymeenzymeenzymeEnzymeticreactionsubstrateproduct第三十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二enzymeenzymeenzymeEnzymeticreactionwithATPS第三十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二要进行两水相生物转化反应应满足下列条件：催化剂应单侧分配；底物应分配于催化剂所处的相中；产物应分配在另一相中；要有合适的相比。如产物分配在上相中，则相比要大，反之则相比要小。这些条件不可能同时满足，分配理论也不完善，因此常需要根据试验选择最优系统和操作条件。第三十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二采用两水相系统进行生物转化反应有下列优点：与固定床反应器相比，不需载体，不存在多孔载体中的扩散阻力，故反应速度较快，生产能力较高；生物催化剂在两水相系统中较稳定；两相间表面张力低，轻微搅拌即能形成高度分散系统，分散相液滴在10μm以下，有很大的表面积，有利于底物和产物的传递。第三十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

初期的双水相萃取过程仍以间歇操作为主。近年来,在天冬酶、乳酸脱氢酶、富马酸酶与青霉素酰化酶等多种产品的双水相萃取过程中均采用了连续操作,有的还实现了计算机过程控制。这不仅对提高生产能力,实现全过程连续操作和自动控制,保证得到高活性和质量均一的产品具有重要意义,而且也标志着双水相萃取技术在工业生产的应用正日趋成熟和完善。三、双水相萃取技术的发展第三十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

双水相分配技术作为一个很有发展前途的分离单元,除了具有上述独特的优点外,也有一些不足之处,如易乳化、相分离时间长、成相聚合物的成本较高、分离效率不高等,一定程度上限制了双水相分配技术的工业化推广和应用。如何克服这些困难,已成为国内外学者关注的焦点,其中“集成化”概念的引人给双水相分配技术注入了新的生命力,双水相分配技术与其他相关的生化分离技术进行有效组合,实现了不同技术间的相互渗透,相互融合,充分体现了集成化的优势。例如：第三十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二(1)与温度诱导相分离、磁场作用、超声波作用、气溶胶技术等实现集成化,改善了双水相分配技术中诸如成相聚合物回收困难、相分离时间较长、易乳化等问题,为双水相分配技术的进一步成熟、完善并走向工业化奠定了基础。

(2)与亲和沉淀、高效层析等新型生化分离技术实现过程集成,充分融合了双方的优势,既提高了分离效率,又简化了分离流程。

(3)在生物转化、化学渗透释放和电泳等中引入双水相分配,给已有的技术赋予了新的内涵,为新分离过程的诞生提供了新的思路。第三十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二1.PEG衍生物：在PEG上引入亲和基团或离子基团；

2.采用多级萃取。第三十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第四十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第四节反胶团萃取一、概述

反胶团(ReversedMicelles)是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。第四十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二微胶团：水溶液中表面活性剂的极性头朝外，疏水的尾部朝内，中间形成非极性的“核”水非极性的“核”极性“头”非极性“尾”第四十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二反胶团：非极性有机溶剂中，表面活性剂的极性头朝内，疏水的尾部向外，中间形成极性的“核”非极性有机溶剂极性“头”极性的“核”非极性“尾”反微团内溶解的水称为微水相或水池第四十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第四十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性功能：

(1)具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；

(2)在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等保持活性。第四十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二反胶团萃取的优点(1)有很高的萃取率和反萃取率，并具有选择性；(2)分离、浓缩可同时进行，过程简便；(3)能解决蛋白质(如胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题；(4)由于构成反胶团的表面活性剂往往具有细胞破壁功效，因而可直接从完整细胞中提取具有活性的蛋白质和酶；(5)反胶团萃取技术的成本低，溶剂可反复使用等。第四十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二二、反胶团的形成1、反胶团的构造：在胶体化学中，向水溶液中加入表面活性剂，并使其浓度超过一定数值时，表面活性剂就会在水相中形成胶团或微胶团，它是表面活性剂的聚集体。其亲水性的极性端向外指向水溶液，疏水性的非极性“尾”向内相互聚集在一起。当向非极性有机溶剂中加入表面活性剂，并使其浓度超过一定数值时，也会在非极性溶剂内形成表面活性剂的聚集体。与在水相中不同的是，其疏水性的非极性尾部向外，指向非极性溶剂，而极性头向内，与在水相中形成的微胶团方向相反，因而称之为反胶团或反向胶团。第四十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第四十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二构成反胶团的表面活性剂种类：阴离子表面活性剂AOT阳离子表面活性剂季铵盐非极性有机溶剂：环己烷，庚烷，辛烷等分离蛋白质时，使用最多的是阴离子型表面活性剂AOT。第四十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2、反胶团的物理化学特性及制备（1）反胶团的物理化学特性①

反胶团的临界胶团浓度表面活性剂在非极性有机溶剂中能形成反胶团的最小浓度②

反胶团含水率WW=C水/C表

W越大，反胶团的半径越大第五十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第五十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二（2）反胶团的制备①注入法②相转移法③溶解法第五十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二（1）注入法将含有蛋白质的水溶液直接注入到含有表面性剂的非极性有机溶剂中去，然后进行搅拌直到形成透明的溶液为止。这种方法的过程较快并可较好地控制反胶团的平均直径含水量。（2）相转移法将酶或蛋白质从主体水相转移到含表面活剂的非极性有机溶剂中形成反胶团-蛋白质溶液。即将含蛋白质的水相与含表面活性剂的有机相接触，在缓慢的搅拌下，一部分蛋白质转入（萃入）有机相。此过程较慢，但最终的体系处于稳定的热力学平衡状态，这种方法可在有机溶剂相中获得较高的蛋白质浓度。（3）溶解法对非水溶性蛋白质可用该法。将含有反胶团（W＝3-30）的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌，使蛋白质进入反胶团中，该法所需时间较长。含蛋白质的反胶团也是稳定的，这也说明反胶团“水池”中的水与普通水的性质是有区别的。第五十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二1、反胶团萃取原理蛋白质进入反胶团溶液是一协同过程。在有机溶剂相和水相两宏观相界面间的表面活性剂层,同邻近的蛋白质分子发生静电吸引而变形,接着两界面形成含有蛋白质的反胶团

,然后扩散到有机相中,从而实现了蛋白质的萃取。(可能机理）改变水相条件(如pH值、离子种类或离子强度),又可使蛋白质从有机相中返回到水相中,实现反萃取过程。

三、反胶团萃取的理论基础第五十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第五十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2、蛋白质的溶解模型a、水壳模型：蛋白质位于水池的中心，周围存在的水层将其与反胶团壁隔开；b、半岛模型：pro表面存在强烈疏水区，该区直接与有机相接触；c、pro吸附于反胶团内壁；d、pro疏水区与几个反胶团的疏水尾发生相互作用，被几个小反胶团所“溶解”。第五十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二3、影响反胶团萃取的作用力1）决定分配系数的分离场-分离物质间的相互作用

第五十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二溶解推动力

①静电作用：理论上,当溶质所带电荷与表面活性剂相反时,由于静电引力的作用,溶质易溶于反胶团,溶解率或分配系数较大,反之,则不能溶解到反胶团相中左图为pH值对不同蛋白质的溶解率急剧变化,当pH＜pI,即在带正电荷的pH范围内蛋白质的溶解率接近100%,说明静电相互作用对蛋白质的反胶团萃取起决定性作用。第五十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

②空间相互作用

A.

盐浓度增大对反胶团相产生脱水效应,含水率W0随盐浓度的增大而降低,反胶团直径减小,空间排阻作用增大,

pro溶解下降。第五十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二B.在各pro的pI处(排除了静电相互作用的影响)，反胶团萃取实验研究表明:随着M增大,pro的分配系数(m,溶解率)下降。表明随M增大,空间排阻作用增大,pro的溶解率降低.

③疏水性相互作用

aa的疏水性各不相同,研究表明,aa或肽的m随aa疏水性的增大而增大。蛋白质的疏水性影响其在反胶团中的溶解形式,因而影响其分配系数.疏水性较大的pro可能以“半岛式”形式溶解。所以可以根据pro间M的差别选择性对pro进行萃取分离。第六十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2）反胶束萃取的影响因素水相的pH值

盐离子的种类和浓度温度

蛋白质的分子量和浓度表面活性剂

第六十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二①水相的pH值

pH对萃取的影响主要体现在改变蛋白质的表面电荷上。在pH小于蛋白质的等电点(PI)时,蛋白质表面带正电荷;大于等电点时,蛋白质带负电荷。AOT是一种阴离子型表面活性剂,它所形成的反胶团的内表面带负电荷。当水溶液的pH小于蛋白质的等电点时,两表面异电荷的吸引力使蛋白质的萃取率接近100%。当pH大于PI时,溶菌酶萃取率急剧下降,直到接近于零。第六十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第六十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二②盐离子的种类第六十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二③盐浓度盐浓度W0S&ProZ萃取率第六十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二④温度

温度是影响蛋白质萃取率的一个重要因素。一般来说,温度的增加将使反胶团的含水量下降,因而不利于蛋白质的萃取。通过提高温度可以实现蛋白质的反萃取。

第六十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二⑤蛋白质分子量和浓度

蛋白质的分子量对其萃取率有较大影响。例如溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶的分子量分别为14300、23300、35000,AOT/异辛烷反胶团萃取它们的最大萃取率分别约为100%、90%、30%,表明分子量越大的蛋白质越难萃取。用AOT反胶团体系萃取血红蛋白时发现,

蛋白质浓度高时,萃取率降低;而蛋白质浓度低时,萃取率较高。第六十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二⑥表面活性剂表面活性剂的类型目前最常用的反胶团或微乳液是AOT/异辛烷体系。一是AOT形成的反胶团较大,有利于蛋白质的萃取;二是AOT形成反胶团时不需加入表面活性剂。表面活性剂的浓度当其它条件一定时,表面活性剂浓度也存在某临界值。小于此临界值时,增大表面活性剂的浓度可提高蛋白质的萃取率

,大于临界值时,则无明显影响第六十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第六十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二四、反胶团萃取的应用

分离蛋白质混合物；

浓缩α-淀粉酶；从发酵液中提取胞外酶；直接提取胞内酶；用于蛋白质复性。第七十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二案例一：通过三步分离操作分离了核糖核酸酶a、细胞色素c和溶菌酶。

第七十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第七十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二通过调节水相pH值和KCl浓度来实现三种蛋白质的分离。在pH=9时，核糖核酸酶的溶解度很小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离；相分离后得到的反胶团相（含细胞色素C和溶菌酶）与0.5mol/L的KCl水溶液接触后，细胞色素C被反萃取到水相，而溶菌酶留在反胶团相；含溶菌酶的反胶团与2.0mol/LKCl，pH值为11.5的水相接触后，将溶菌酶反萃至水相中。第七十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二案例二：使用二级混合-分离型萃取流程，用TOMAC/0.1%辛醇-异辛烷的溶液体系连续分离-淀粉酶，浓缩了17倍。(图)第七十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第七十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二案例三：胞内酶的提取第七十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

大量的研究工作已经证明了反胶团萃取法提取蛋白质的可行性与优越性。不管是自然细胞还是基因工程细胞中的产物都能被分离出来;不仅发酵滤液和浓缩物可通过反胶团萃取进行处理,就是发酵清液也可同样进行加工。不仅是蛋白质和酶都能被提取,还有核酸、氨基酸和多肽也可顺利地溶于反胶团。然而反胶团萃取在真正实用之前还有许多有待于研究和解决的问题,例如表面活性剂对产品的沾染、工业规模所需的基础数据;反胶团萃取过程的模拟和放大技术等。尽管如此,用反胶团萃取法大规模提取蛋白质由于具有成本低、溶剂可循环使用、萃取和反萃取率都很高等优点,正越来越多地为各国科技界和工业界所研究和开发。第七十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第五节超临界流体萃取

（supercriticalfluid,SCF）

一、序言超临界流体萃取：是将超临界流体作为萃取溶剂的一种萃取技术，它兼有传统的蒸馏和液液萃取的特征，是适用面很广的一门新型分离技术。第七十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二超临界流体：是一种物质状态，当物质在超过临界温度及临界压力以上，气体与液体的性质会趋近于类似，最后会达成一个均匀相的流体现象。超临界流体类似气体，具有可压缩性，可以像气体一样发生泻流，而且又兼具有类似液体的流动性，密度一般都介于0.1到1.0g/ml之间。通常有二氧化碳（CO2

）、水、氮气（N2

）、氧化二氮（N2O）、乙烯（C2H4）、三氟甲烷（CHF3

）等。

第七十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第八十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二超临界流体（SCF）的特性物质状态

密度（g/cm3）粘度(g/cm/s)扩散系数(cm2/s)气态(0.6-2)×10-3(1-3)×10-4

0.1-0.4液态0.6-1.6(0.2-3)×10-2

(0.2-2)×10-5

SCF0.2-0.9(1-9)×10-4

(2-7)×10-4

由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。第八十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二超临界流体的密度接近液体，因此具有与液体相近的溶解能力。超临界流体的粘度和扩散系数又与气体相近似，而溶剂的低黏度和高扩散系数的性质是有利于传质的。由于以上特点，超临界流体可以迅速渗透到物体的内部，溶解目标物质，快速达到萃取平衡。第八十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二二、超临界流体的萃取原理

相似相溶原理：物质之间的溶解能力主要取决于物质分子之间的相似性，一是分子结构相似，二是分子间的作用力相似。而分子结构之间的相似相溶在很大程度上也可以归结到作用能的相似上。在超临界气体萃取溶剂（接近于液体密度）中，溶质的溶解度和在真空中的溶解度相比，可大幅度增加（一亿多倍）。第八十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

在超临界流体萃取中，主要是溶剂流体密度的大幅度增加导致溶剂对溶质的作用力大幅度增加，从而形成了溶解物质的能力，这个特性给溶剂流体回收、溶剂与溶质分离带来方便。在超临界萃取后的分离操作中，可在与萃取温度相同的条件下，降低压力使溶剂的密度下降，引起其溶解物质的能力下降，就可以方便地进行萃取物与溶剂的分离。第八十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第八十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二提高萃取剂选择性的基本原则是：①按相似相溶原则，选用的超临界流体与被萃取物质的化学性质越相似，溶解能力就越大。②从操作角度看，使用超临界流体为萃取剂时的操作温度越接近临界温度，溶解能力也越大。第八十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二常用萃取剂极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难）非极性萃取剂：二氧化碳（易）超临界二氧化碳临界点：Tc=31.26℃、Pc=7.2MPa

优点：缺点：临界条件温和设备投资大产品分离简单无毒、无害不燃无腐蚀性价格便宜第八十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二三、超临界CO2的溶剂特征１、超临界CO2

的相图：在临界点附近，密度线聚集于临界点周围，压力或温度小范围的变化，就会引起CO2

密度的大幅度变化。由于CO2溶解、萃取物质的能力与CO2

本身的密度成正比，这就意味着只要通过改变压力或温度来改变溶剂CO2

的密度，就可以改变其对物质的溶解能力。特性：

通过压力或温度的改变可有效地萃取和分离溶质。第八十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二特点:在临界点附近,密度有很宽的变化范围;通过温度、压力微调，可使密度显著变化第八十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二２、萃取溶剂CO2的性质

无毒，无腐蚀性，不可燃烧，纯度高且价格低。有优良的传质性能，扩散系数大；粘度低，与其他超临界流体溶剂相比，CO2

具有相对较低的临界压力和临界温度，适于处理热敏性生物制品和天然产物。

第九十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二物质沸点/℃临界点数据临界温Tc/℃临界压Pc/Mpa临界密度ρ/(g/cm3)二氧化碳－78.531.067.390.448水100374.222.000.344乙烷－88.032.44.890.203乙烯－103.79.55.070.20丙烷－44.5974.260.220丙烯－47.7924.670.23n–丁烷－0.5152.03.800.228n–戊烷36.5196.63.370.232n–己烷69.0234.22.970.234甲醇64.7240.57.990.272乙醇78.2243.46.380.276异丙醇82.5235.34.760.27苯80.1288.94.890.302甲苯110.63184.110.29氨－33.4132.311.280.24甲烷－164.0－83.04.60.16常用超临界流体的临界性质表第九十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

四、SC—C02萃取以及拖带剂的作用１、SC—C02萃取：

天然产品中通常含有许多不同的化学成分；对同一天然产品用不同方法或不同萃取剂提取得到的制品，其组分是不同的。逐步增加溶剂C02

的溶解能力，可以获得各种质量不同的萃取产物。２、拖带剂的作用：

添加拖带剂即辅助溶剂，可增加物质的溶解度和萃取选择性。如在C02

中添加约14％的丙酮后，甘油酯的溶解度增加22倍。纯C02几乎不能从咖啡豆中萃取咖啡因，但在加湿(水)的SC—C02

中，因为生成了具有极性的H2CO3，在一定的条件下，能选择性地溶解萃取极性的咖啡因。第九十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第九十三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第九十四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第九十五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二五、SC—C02萃取流程

SC—C02萃取流程：萃取流程基本上是由萃取工段和分离工段(溶质和C02的分离)组合而成。第九十六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二代表性的三种流程模式图第九十七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二压缩机

萃取釜

制冷MVC-760L

二氧化碳循环泵

第九十八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二六、工业化超临界CO2萃取设备1.国产设备的生产情况南通市华安超临界萃取有限公司

第九十九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二海安县石油科技仪器有限公司（南通市华安超临界萃取有限公司），系中国石油天然气集团（股分）公司、中国石油化工集团（股份）公司、中国海洋石油总公司定点生产企业，公司具有近四十年研发和生产石油仪器设备的丰富经验。本公司自1989年起，在清华大学、中科院、大专院校等专家学者的关心指导下，主攻超临界CO2萃取设备国产化研制生产，十多年来，已形成中、小试验（生产）装置系列化生产能力，产品遍布全国各地，并出口美国、韩国等国家。部分药厂通过该装置生产的新药已报批国家级新药并出口。该装置通过省级鉴定，处于国内领先，主要技术指标和关键设备达到世界同类装置先进水平。该项目已列入国家火炬计划和国家级新产品，企业被评定为江苏省高新技术企业，南通市首批诚信纳税企业。公司技术力量雄厚，设备精良，工艺先进，检测手段齐全。公司实验室备有样机，供用户和科研单位来公司共同开发研究。

该装置采用CO2作添加剂，主要应用：医药、食品、香精、香料等有效成份的提取，精细分离。装置由萃取釜、分离釜、精馏柱、CO2泵等组成。

第一百页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二

美晨集团股份有限公司第一百零一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二美晨集团前身始建于1896年，是中国最早的牙膏专业生产厂家之一，自1993年由广州牙膏厂转为股份制企业——广州美晨股份有限公司以来，几经改革创新，股本构成发生了深刻的变化，现已成为“职工控股96%、国家持股4%”的股份制企业。美晨集团也由单一产业的日化企业发展成为生产经营口腔护理品、食品添加剂、化妆护肤品、现代中药、保健品、高新分离技术设备，同时经营房产物业以及进出口业务的多元化、综合性高新科技企业，是经国家工商总局正式审批成立的跨区域、跨行业，集科、工、贸、投资于一体的大型企业集团。

第一百零二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二北京超流萃取技术研究所：超临界流体萃取工业化设备完整解决方案

第一百零三页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二设计、提供工业化超临界连续萃取生产线装置。对外进行专利技术转让。第一百零四页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二云南亚太致兴生物工程研究所第一百零五页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二用超临界多元流体萃取取代超临界二氧化碳萃取的技术，一直坚持研究开发至今，公开发表过有关超临界多元流体的文章十余篇，申报发明专利四项，法人代表王振锟担任过火炬计划产业化开发的项目负责人。超临界流体技术领域将迎来廿一世纪的绿色产业革命，其涉及的产业较广，诸如医药、食品、能源、航天、海洋工程、生物技术、化工、轻纺、环保工程等。

第一百零六页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2.国外设备的生产情况德国伍德公司第一百零七页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二德国伍德有限公司是行业顶级企业。公司创建于1921年，是目前世界十大化工工程公司之一。该公司原是工程师Uhde开办的设计所，后来为大化工公司赫斯特（HOECHST）收买。赫斯特集团内各子公司实行专业分工，有各类化工产品生产厂，化工设备制造厂，以及多达4000名科研人员的研究中心和职工教育训练中心等，而伍德公司则是赫斯特的专业设计公司。伍德公司的工程设计部门有职工2100人，承包炼油、合成氨、化肥、有机化工原料、合成树脂、合成纤维、氯碱、酿造食品、环境保护和核技术等方面的工程建设，是一个比较全面的化工工程公司。它的氯碱、硝酸、黄磷、乙醛等技术，在世界上享有很高的声誉。它曾为50余个国家和地区承包过各处化工装置的建设。每年在三十几个工程地点开展工作，年营业额3-5亿美元。第一百零八页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二美国SupercriticalProcessingInc.第一百零九页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二七、超临界流体萃取技术的应用1）生物活性物质和生物制品的提取

2）超临界状态下的酶促反应

3）SC—C02的细胞破壁技术

4）超临界流体干燥技术

第一百一十页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第一百一十一页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二第一百一十二页，共一百二十三页，编辑于2023年，星期二2）SC—C02作为酶促反应介质的优点①与水相比较，脂溶性底物和产物可溶于SC—C02

中，酶蛋白不溶解，有利于三者的分离。②产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，因而不产生废水污染问题。③与其他非水相有机溶剂中的酶催化反应相比，SC—C02更适合与生物、食品相关的产品体系，产物分离简单。④与萃取一样，SC—C02中的质量传递速度快，在临界点附近，溶解能力和介电常数对温度